Modulprüfung: BBio119, Neurowissenschaften und Verhaltensbiologie. Klausur zur Vorlesung: Theoretische Neurowissenschaften.

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Emilia Frieda Glöckner
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1 Modulprüfung: BBio119, Neurowissenschaften und Verhaltensbiologie Klausur zur Vorlesung: Theoretische Neurowissenschaften. SoSe 2010 Name Vorname Matrikelnummer Anmerkungen: Sie müssen die Prüfung ohne Hilfsmittel und ohne andere Personen durchführen. Füllen Sie die vorgegebenen Felder korrekt aus, bzw. führen Sie korrekte Eintragungen in den Abbildungen durch. Hinweis: Lesen Sie den Text gründlich! Wenn etwas unklar ist, wenden Sie sich bitte an den Dozenten. WICHTIG!!! Bearbeiten sie erst die Themen die sie gut können, denn: erwarten Sie nicht, daß Sie alle Fragen schaffen. Das ist nicht geplant! Anmerkungen: 1) Geben Sie präzise, klare und knappe Antworten. Romane verschlingen nur Zeit. Die Hoffung, daß dann da irgendwas Richtiges dabei ist, ist meist unbegründet. Anmerkungen 2) Die Fragen stammen fast alle von den Fragebeispielen der Vorlesung oder von alten Klausuren ab. Ein paar sind abgeleitet (hier sollte Nachdenken helfen das hilft übrigens immer ). D.h. ihr Prof. hofft, daß diese Klausur nicht zu schwer ist. Viel Erfolg. Es können maximal 54,0 Punkte erzielt werden. 1

Teil: Theoretische Neurowissenschaften 1) Thema: Models of the Visual System (erste Vorlesungsstunde) Unten stehendes Diagram (links) zeigt ein graphisches Modell der Verschaltung des Sehsystems des

2 Teil: Theoretische Neurowissenschaften 1) Thema: Models of the Visual System (erste Vorlesungsstunde) Unten stehendes Diagram (links) zeigt ein graphisches Modell der Verschaltung des Sehsystems des Menschen. Rechts sind bestimmte Ausfälle zu sehen (schwarz). Durchtrennen Sie den optischen Nerv (NO), den optischen Track (TO) oder die Sehnervkreuzung (CO) mit insgesamt 4 markierten Strichen korrekt, so daß die vier Ausfälle A-D sich durch diese Schnitte erklären lassen. (1,5 Punkte jeweils). Anmerkung: B ist am einfachsten! Fig 1) left, structure of the visual system. Right, different types of damages (in black) in left and right eye. 2

3 2) Thema: Membrane Potential Die vereinfachte Nernst Gleichung ist hier für ein fiktives Ion X zu sehen: V x 60 [ X ] i log [ mv ] z [ X ] o A) Wird das Potential negativer oder positiver wenn die Konzentration von [X] i zunimmt? B) Welches Potential hat man wenn [X] i = [X] o ist und was ist die physiologische Erklärung dafür? C) Welches Ion dominiert bei der Erzeugung des Ruhepotentials? D) Der Konzentrationsunterschied zwischen innen und außen ist für Na + sehr groß. Warum spielt Na + bei der Erzeugung des Ruhepotentials trotzdem keine große Rolle. E) Der Sachverhalt, mit dem (D) begründet wird, spiegelt sich in einer anderen Gleichung wieder. Wie heißt diese? A) (1 Punkt): B) (1,5 Punkte) C) (0,5 Punkte) D) (1,5 Punkte) E) (0,5 Punkte) 3

4 3) Thema: Membrane Potential (continued) Unten stehendes Diagramm zeigt ein Ersatzschaltbild einer Nervenzellenmembran. Wir nehmen an: V Cl- = -70 mv, V K+ = -80 mv, V Na+ =+30mV. Fig. 2) Electrical equivalence diagram of a neuronal membrane. A) Welches Potential nimmt V m an wenn man g Na+ = unendlich setzt (wobei die anderen Leitfähigkeiten dann viel kleiner sind, also relative gesehen dann nahe Null liegen)? Welchem physiologischen Fall entspricht das in etwa? B) Welches Potential erhält man wenn man g Na+ =0 setzt und wenn dabei g K+ =g Cl- (beide ungleich 0) ist? C) Wie groß ist der Wert der Membrankapazität in etwa? D) Das Produkt =RC, wobei R der Gesamtwiderstand der Membran ist und C die Kapazität, ist eine wichtige physiologisch Konstante. Wie heißt diese und was ist ihre Bedeutung? Denken Sie hier daran was passiert wenn Sie einen Spannungssprung an die Membran anlegen. Wie sieht die Antwort aus? (Zeichnen!) Was geschieht mit der Antwort, wenn RC größer wird? (4 Punkte) A) (2 Punkte): B) (1 Punkt) C) (0,5 Punkte) D) (4 Punkte) 4

5 4) Thema: Calculating with Neurons Shunting inhibition wird mit einer neuronalen Divisionsoperation in Zusammenhang gebracht. A) Was ist shunting inhibition und wie funktioniert sie? B) Welcher Kanal ist dafür normalerweise zuständig? D.h. Welches Ion ist beteiligt? C) Was ist mit dem Ionenfluß wenn shunting inhibition auftritt? In welcher Richtung fließen die Ionen? Warum ist das so? D) Bei shunting inhibition ändert sich das Membranpotential doch nicht! Wieso werden dann gleichzeitig einlaufende EPSP durch shunting inhibition dennoch kleiner? Dazu betrachten wir den Fall, daß das EPSP durch Na+ Ionen ausgelöst wird. In welche Richtung fließen diese? Bei gleichzeitiger shunting inhibition fragen wir: Ich welche Richtung fließen dann also die shunting-ionen (Ionentyp=Antwort auf Teil B)? E) Wie nennt man shunting inhibition noch? A) (2 Punkte): B) (1 Punkt) C) (1,5 Punkte) D) (3 Punkte) E) (2 x 0,5 Punkte) 5

6 5) Thema: Learning and Plasticity A) Wodurch unterscheidet sich unsupervised, reinforcement und supervised learning? B) Schreiben Sie die Basic Hebb Rule auf. C) Was versteht man unter Gewichtsnormalisierung und wozu braucht man diese? D) Was ist eine eligibility trace, welche Form nimmt man dafür in der Regel an (zeichnen!) und bei welcher Form des Lernens ist sie wichtig? E) Wieso sagt man, daß Hebb sches Lernen und differentielles Hebb sches Lernen korrelationsbasierte Lernregeln sind? F) Was ist Overshadowing? G) Was ist Secondary Conditioning? A) (3 Punkte): B) (1 Punkt) C) (2 Punkte) D) (3 Punkte) E) (2 Punkte) F) (2 Punkte) G) (2 Punkte) 6

7 6) Thema: Learning and Plasticity Beim Hebb-Lernen ( Hebbian Learning ) und beim differenziellen Hebb Lernen ( differential Hebbian Learning ) wird die Gewichtsänderung durch Kurven ( Weight-Change Curve ) beschrieben, bei denen gegen den zeitlichen Abstand zwischen Prä- und Postsynaptischen Aktionspotential T aufgetragen wird, wobei positives T entsteht wenn der präsynaptische Spike vor dem postsynaptischen Spike auftritt. Die Gewichtsänderung bei mehreren prä-post Spike-Paaren ist kumulativ. Bitte berechnen Sie für die unten gezeigten weight change curves (A und B) die jeweilige gesamte Gewichtsänderung, die nach Auftreten der drei in (C) gezeigten prä-post Spike-Paare auftritt. Begründen Sie das Ergebnis in Bezug auf mögliche LTP und LTD Effekte. Die Gewichtsänderung für Fall A ist (2.0 Punkte): Die Gewichtsänderung für Fall B ist (2.0 Punkte): Begründung (2 Punkte): A 10 B T [ms] T [ms] pre-synaptic spike train -10 C t [ms] post-synaptic spike train t [ms] Fig. 6) Weight change curves for models of (A) Hebbian and (B) differential Hebbian learning. In (C) three pre-post spike pairs are shown, which will lead to a certain amount of total weight change for cases (A) and (B). 7

8 7) Thema: Correlations Diagram A zeigt zwei Eingangsneurone (Dreiecke, unten, benannt top und bottom ) und acht Zielneurone (Kreise, oben). Diagramme B und C zeigen zwei mögliche Eingangs Spike- Trains für Neuron top sowie Neuron bottom. Dieser Schaltkreis wurde erstmals bei der Schleiereule nachgewiesen. Die Länge der Axone (Länge der Linien zwischen Eingangsneuron und jeweiligen Zielneuron) entspricht dabei der benötigten Signallaufzeit bis das Eingangssignal am Zielneuron angekommen ist. Fig. 8) A) Delay line circuit for sensory processing in the barn owl. B,C) possible input signals. A) Zu welchem sensorischen System gehört dieses Diagram? B) Welches physikalische Reizeigenschaft wird damit berechnet? C) Welche Eingangssignale (B oder C) würden Neuron 7 (fette Linienführung) am besten stimulieren? D) Das andere Eingangsignal stimuliert demzufolge welche der Neurone (1-8) am besten (Hinweis hier kommen zwei Neurone in Frage)? A) (1.0 Punkt): B) (1.0 Punkte): C) (2.0 Punkte): D) (2.0 Punkte): 8

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